不锈钢复合材料焊接工艺探讨
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摘要：由于不锈钢复合材料以其低成本和良好的综合性能，日益受到越来越多的关注。本文分析了不锈钢复合材料的焊接工艺。
关键词：不锈钢;复合材料;焊接工艺
不锈钢复合材料由一定壁厚的基层（碳钢或合金钢）和较薄的不锈钢复层组成，基层用来保证力学性能，复层常用来保证对介质的耐腐蚀性能。目前，该材料已越来越多地应用到石油、化工等行业。此外，随着不锈钢复合材料尤其是复合管在工程中越来越广泛的应用，我国一些行业或单位在“当条件受到限制”的情况下焊接不锈钢复合管时，采用的工艺是：先焊接复层，再焊接过渡层和基层。过渡层选用不锈钢焊材，而基层选用与基层材料相匹配的碳钢焊材，即基层的焊接未选用与过渡层相同的焊接材料（这种焊接工艺形成的焊接接头简称C类接头）。目前，工程中不锈钢复合材料的焊接，是标准规定的两种焊接工艺和C类接头焊接工艺并存。
一、复合材料概述
复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料。通常，复合材料需满足以下条件：①复合材料必须是人造的，是人们根据需要设计制造的材料;②复合材料必须由两种或两种以上化学、物理性质不同的材料组分，以所设计的形式、比例、分布组合而成，各组分之间有明显的界面存在;③它具有结构可设计性，可进行复合结构设计;④复合材料不仅保持各组分材料性能的优点，而且通过各组分性能的互补和关联能获得单一组成材料所不能达到的综合性能。
二、标准规定
GB/T13148《不锈钢复合钢焊接技术条件》规定：“可先焊包层，再焊过渡层，最后焊底层，但在此种情况下，底层的焊接性能不低于用于过渡层焊接的奥氏体焊条或焊丝。”可将奥氏体焊条或焊丝用于基层焊接，但没有强制性要求应用。NB/T47015《压力容器焊接规程》规定：“不锈钢复合材料焊接时，一般先焊基础焊缝，再焊过渡焊缝，最后焊复层焊缝的焊接顺序。不得采用碳钢焊接材料和低合金焊接材料焊接在母材、过渡焊缝和复层焊缝上。”规范中推荐了用于基础焊缝的焊接材料。
参照国外规范，BSEN1011-5《焊接金属材料推荐规范第5部分复合钢焊接》只要求按评定的焊接工艺先焊接底座，但未规定先焊复层时底座的焊接材料。ASME规范第Ⅷ卷-第一分篇《压力容器建造规则》中规定：“基层材料焊缝可采用耐腐蚀合金钢焊接，也可采用碳钢或低合金钢填充金属，但其焊接工艺和焊工均按第Ⅸ卷的要求评定合格。”此规程中只要求基层焊接材料，未规定焊接顺序。
从技术标准的角度出发，所讨论的不锈钢复合材料焊接工艺具有可操作性。理论上，在不锈钢复合材料焊接时，高合金钢材料焊接低合金材料时，低合金钢不会稀释高合金钢合金元素的含量而出现脆硬相;相反，当用低合金材料焊接高合金材料时，高合金材料中的合金元素会向焊缝或熔合区过渡和扩散，导致焊缝或熔合区中有较多的脆硬组织，从而影响接头的整体性能。
三、焊接试验
焊接试验选用（18+3）mm厚的Q345R/316L不锈钢复合板，焊接工艺为先焊复层、再焊过渡层和基层的C型接头。过渡层采用焊接材料E309-16，基层采用碳钢焊接材料E5015。
不锈钢复合板Q345R/316L的化学成分见表1，焊接参数见表2。
根据NB/T47014《承压设备焊接工艺评定》，进行外观检查和无损检测，没有发现裂纹，检验结果合格。根据标准制备的拉伸试样在焊缝或熔合线外母材热影响区出现塑性断裂，试样的拉伸强度不小于母材最小拉伸强度的95%，满足NB/T47014的要求。
从焊接接头弯曲试样的观察，不锈钢侧焊熔合良好，大部分碳钢侧焊熔合良好，不锈钢和碳钢熔合区熔合良好，所有试样均未出现弯曲裂纹，但所有弯曲试样均在碳钢和不锈钢的过渡区出现直径5～8毫米的弯曲鼓包，是局部硬化区结构。
弯曲至规定角度后，焊缝和拉伸表面热影响区在任何方向均不存在大于3mm的开口缺陷，符合NB/T47014标准的要求。
按NB/T47014要求的外观检查、无损检测、力学性能试验等检验项目，检验结果符合标准要求。弯曲试验后有明显的硬块，即局部硬化区，但经磁粉检测未发现裂纹，即为合格。
根据NB/T47014标准，虽然C型接头合格，但弯曲后的局部硬化区应予以重视。
五、理论分析
舍夫勒组织图是不锈钢金属化学成分和相结构之间的定量关系图。纵坐标用镍当量表示，镍当量是反映不锈钢焊缝金属结构奥氏体化程度的指标，根据金属结构中包含的奥氏体元素和奥氏体化强度，将其值转换为若干个镍的总和。横坐标用铬当量表示，铬當量是反映焊缝金属结构铁素体化程度的指标，根据焊接结构中所涉及元素的铁素体化程度，将其量值转换为若干铬的总和。根据焊接母材的化学成分和添加的焊接材料，可通过熔焊稀释率计算出焊接金属的化学成分，并分别换算成镍当量和铬当量，即能在组织图中发现焊缝金属组织和铁素体含量。
六、结语
综上所述，不锈钢复合板是以碳钢或高强度钢为基体，不锈钢为复合层，采用轧制、堆焊、爆炸等方法制成的双金属复合板。它具有不锈钢的优良性能，如耐用性、耐腐蚀性等，还具有碳钢高强度、成本低的优点，不锈钢复合材料由于其具有良好的适用性和经济性，广泛应用于石油、化工、建筑、航空、航海等行业。
参考文献：
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[2]陈祝年.焊接工程师手册[M].北京：机械工业出版社，2014.
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